Otwórz menu główne
Pierwsza obserwacja zderzenia neutrina z protonem (z jądra atomu wodoru) w komorze pęcherzykowej, 13 listopada 1970. Po zderzeniu widoczny jest krótki ślad protonu, mionu (μ-meson) i pionu (π-meson).

Neutrino (ν) – cząstka elementarna należąca do leptonów. Jest fermionem o spinie równym ½ i zerowym ładunku elektrycznym. Neutrina są cząstkami podstawowymi w modelu standardowym. Doświadczenia przeprowadzone w ostatnich latach[kiedy?] wskazują, że neutrina mają bliską zera, ale niezerową, masę spoczynkową. Powstają między innymi w wyniku rozpadu β+
, na przykład neutrino elektronowe (νe) podczas rozpadu 116C:

116C115B + e+
+ νe

Nazwa jest włoskim zdrobnieniem neutronu. Została zaproponowana przez włoskiego fizyka Enrica Fermiego[1].

Spis treści

Rodzaje neutrinEdytuj

 
Diagram Feynmana rozpadu β
neutronu do protonu, elektronu i antyneutrina elektronowego poprzez pośredni bozon W

Istnieją trzy stany zapachowe neutrin:

Prawdopodobnie każdy rodzaj neutrina ma swój odpowiednik (antyneutrino) w antymaterii. Antyneutrino elektronowe powstaje w trakcie rozpadu β
, np. podczas rozpadu 31T lub 146C:

31T32He + e
+ νe
146C147N + e
+ νe

Neutrina podczas propagacji w przestrzeni mogą zmieniać swój rodzaj (zapach) – zjawisko to nazywane jest oscylacją neutrin.

HistoriaEdytuj

Neutrina, jako cząstki bardzo słabo oddziałujące z materią, były trudne do bezpośredniego zarejestrowania. Ich istnienie najpierw zostało przewidziane teoretycznie przez Wolfganga Pauliego w 1930 r. Pauli wyciągnął wniosek o istnieniu tej cząstki na podstawie analizy rozkładu energii elektronów powstających w rozpadzie beta. Eksperymentalne potwierdzenie nastąpiło dopiero w roku 1956 (Frederick Reines i Clyde Cowan).

Neutrino mionowe dawniej nazywano neutretto.

Oddziaływania neutrinEdytuj

Neutrina nie oddziałują za pomocą oddziaływań silnych i elektromagnetycznych, a jedynie za pośrednictwem oddziaływań słabych (i grawitacyjnych). Są tak przenikliwe, że obiekt wielkości planety nie stanowi dla nich prawie żadnej przeszkody – przez jeden centymetr kwadratowy Ziemi zwrócony prostopadle do Słońca, co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin[2].

Neutrina są wychwytywane przez jądro atomowe (przekrój czynny tego procesu jest bardzo mały), inicjując jego rozpad. Zjawisko to wykorzystuje się do wykrywania neutrin. Neutrina wychwytuje się w gigantycznych basenach z superczystą wodą (bądź innymi substancjami) umieszczonych głęboko pod ziemią i obserwuje się powstałe w wyniku tego promieniowanie.

Ostatnimi laty[kiedy?] nastąpił rozwój fizyki neutrin dzięki eksperymentom KamLand, Kamiokande, Super-Kamiokande, SNO, K2K, T2K, DONUT, MINOS.

Problem masy neutrinEdytuj

Wiadomo obecnie, że – uważane kiedyś za cząstki bezmasowe – neutrina mają niezerową masę spoczynkową, chociaż dokładne masy neutrin nie są znane.

Na podstawie doświadczeń oscylacji neutrin w eksperymencie Super-Kamiokande[3] określono różnicę między zapachami neutrin na około 0,04 eV. Jest to więc dolne ograniczenie masy jednego z rodzajów (zapachów) neutrin. Górną granicę oszacowano podczas badań kosmologicznych (np. promieniowanie tła, ucieczkę galaktyk) na 0,28 eV.

Eksperyment KATRIN wykorzystując rozpad beta trytu, ma wyznaczyć masę neutrina lub ograniczyć górną granicę masy najcięższego neutrina do 200 meV (z odchyleniem standardowym ≤ 2). W 2015 roku zakończono testy urządzeń, w 2016 przeprowadzono testy całości. Pomiary rozpoczęto w 2018 roku i są planowane na 5 lat.

 
Powstawanie neutrin w cyklu protonowym

Źródła neutrinEdytuj

Neutrina na Ziemi powstają m.in. na skutek oddziaływania promieni kosmicznych w górnych warstwach atmosfery (powstające w ten sposób neutrina nazywamy atmosferycznymi). Neutrina emitowane są także przez Słońce (neutrina słoneczne) i inne źródła kosmiczne. Ze źródeł sztucznych najwięcej neutrin powstaje w reaktorach jądrowych.

W celach eksperymentalnych wiązki wysokoenergetycznych neutrin wytwarza się w akceleratorach. Neutrina, jako cząstki neutralne, nie mogą być bezpośrednio przyspieszane w akceleratorach wykorzystujących oddziaływania elektromagnetyczne. Zamiast tego, np. w akceleratorze ośrodka J-PARC[4] przyspieszane są protony, które następnie oddziałują z tarczą, produkując wiele cząstek nietrwałych: przede wszystkim piony i kaony. Te cząstki rozpadają się w locie, produkując między innymi neutrina o dużej energii poruszające się w kierunku bliskim cząstkom pierwotnym. Jedną możliwością ukierunkowania wiązki neutrin do detektora jest odpowiednie skierowanie pierwotnej wiązki protonów na tarczę, oraz ogniskowanie naładowanych pionów i kaonów. W przyszłości rozważa się produkcję wiązek neutrin poprzez przyspieszanie w akceleratorach jąder beta-promieniotwórczych lub mionów, które rozpadałyby się na neutrina na specjalnie przygotowanych prostych odcinkach akceleratora[potrzebny przypis].

Doniesienia o przekroczeniu prędkości światła w próżniEdytuj

Badacze pracujący przy eksperymencie OPERA, polegającym na pomiarze prędkości wiązki neutrin wysyłanych do odległego o 730 km włoskiego laboratorium INFN Gran Sasso, stwierdzili, że wyniki eksperymentu sugerują przekroczenie prędkości światła w próżni przez neutrina[5]. CERN ogłosiło 22 września 2011 roku apel do świata nauki o weryfikację ich odkrycia i ewentualne powtórzenie w drodze niezależnych eksperymentów, mających potwierdzić lub obalić te niezgodne ze szczególną teorią względności wyniki.

Wyniki tych niepotwierdzonych eksperymentów stały w sprzeczności z innymi znanymi danymi obserwacyjnymi. Na przykład neutrina powstałe w wybuchu supernowej SN 1987A dotarły na Ziemię trzy godziny wcześniej w stosunku do fotonów (co jest spowodowane tym, że neutrina wydostały się z eksplodującej gwiazdy wcześniej niż fotony). Gdyby neutrina poruszały się z prędkością większą od prędkości światła w próżni, a różnica w prędkości byłaby taka, jaką uzyskano w eksperymencie OPERA, to neutrina z tego wybuchu dotarłyby na Ziemię ponad cztery lata wcześniej, zanim dotarłoby światło[6].

Po ogłoszeniu wyników eksperymentu wielu skrytykowało sposób jego przeprowadzenia[7], kilku z naukowców uczestniczących w eksperymencie odmówiło użycia ich nazwisk w ogłoszonych wynikach, uważając, że opublikowana analiza danych jest przedwczesna[8], sugerowano różne możliwe błędy metodologiczne[9]. Ostatecznie wynik eksperymentu został wytłumaczony przez błędne podłączenie odbiornika GPS do komputera mierzącego czas przelotu cząstek[10].

PrzypisyEdytuj

  1. M. F. L’Annunziata: Radioactivity. Elsevier, 2007, s. 100. ISBN 978-0-444-52715-8. (ang.)
  2. New solar opacities, abundances, helioseismology, and neutrino fluxes
  3. Ann Finkbeiner: Looking for Neutrinos, Nature's Ghost Particles (ang.). Smithsonian Magazine, listopad 2010. [dostęp 2014-10-14].
  4. The T2K Experiment, t2k-experiment.org [dostęp 2017-11-25] (ang.).
  5. Przełomowe odkrycie w CERN otwiera możliwość podróży w czasie? (pol.). Wiadomości 24. [dostęp 2012-02-22].
  6. Mariusz Błoński: Próby wyjaśnienia fenomenu neutrino szybszego od światła (pol.). Kopalnia Wiedzy. [dostęp 2011-10-18].
  7. Astronomy Without A Telescope – FTL Neutrinos (Or Not) (ang.). Universe Today. [dostęp 2012-02-22].
  8. Those faster-than-light neutrinos. Four things to think about (ang.). Guardian. [dostęp 2012-02-22].
  9. Times of Flight between a Source and a Detector observed from a GPS satelite (ang.). arXiv. [dostęp 2012-02-22].
  10. Error Undoes Faster-Than-Light Neutrino Results (ang.). ScienceMag, 2012-02-22. [dostęp 2012-02-22].

Zobacz teżEdytuj

Linki zewnętrzneEdytuj